JP2000088640A - Thermal infrared detector array and its manufacture - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線検出器が複
数個集積されて成る赤外線検出器アレイ、中でも赤外線
を熱として感知する熱型赤外線検出器アレイに関する。
赤外線検出器アレイは、例えば赤外線固体撮像素子とし
て応用することができる。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared detector array in which a plurality of infrared detectors are integrated, and more particularly to a thermal infrared detector array for sensing infrared light as heat.
The infrared detector array can be applied, for example, as an infrared solid-state imaging device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】赤外線検出器アレイは、人間の視覚を刺
激しない物を見ることができ、また対象物の温度を遠方
から非接触で瞬時に測定できるという特徴を備えてお
り、製造ラインの計測・制御や医療・診断装置、人の検
知装置など幅広い産業分野において多種多様な形で使用
されている。2. Description of the Related Art An infrared detector array is characterized by being capable of observing an object that does not stimulate human vision, and being capable of instantaneously measuring the temperature of an object from a distance without contact. -It is used in a wide variety of forms in a wide range of industrial fields such as control, medical / diagnostic devices, and human detection devices.
【０００３】赤外線検出器アレイは、マトリックス状に
配列された検出器と、その周囲に形成された検出器の信
号を読み出すための信号出力回路より成る。The infrared detector array includes detectors arranged in a matrix and a signal output circuit for reading out signals from the detectors formed around the detectors.
【０００４】赤外線検出器アレイは、検出器の原理によ
り、赤外線の光子としての作用を利用する量子型と、赤
外線の熱作用を利用する熱型に大別することができる。
量子型は、高感度、高速応答という利点を有するが、検
出器をマイナス２００℃前後に冷却する必要があるため
装置が複雑で高価となる。一方、熱型は、応答速度は劣
るが冷却不要で常温動作可能なため、汎用用途において
は熱型が主流となっている。[0004] Infrared detector arrays can be broadly classified according to the principle of the detector into a quantum type using the action of infrared photons and a thermal type using the thermal action of infrared rays.
The quantum type has the advantages of high sensitivity and high-speed response, but requires a detector to be cooled down to about −200 ° C., so that the device becomes complicated and expensive. On the other hand, the thermal type is inferior in response speed but can be operated at room temperature without cooling, so that the thermal type is mainly used for general-purpose applications.
【０００５】熱型赤外線検出アレイとしては、ボロメー
ター型と呼ばれる検出器（米国特許第5,260,255号公
報）を使用したものが既に実用化されている。ボロメー
ター型検出器とは、物体から放射される赤外線を、温度
変化に応じて抵抗値が変わる抵抗体によって検出するも
のである。As a thermal infrared detection array, an array using a detector called a bolometer type (US Pat. No. 5,260,255) has already been put to practical use. The bolometer type detector detects infrared rays emitted from an object by a resistor whose resistance value changes according to a temperature change.
【０００６】以下、ボロメーター型赤外線検出器につい
て図面を参照しつつ説明する。図８はボロメーター型検
出器の一例の斜視図である。図５において、８０１は抵
抗体、８０２は配線、８０３は絶縁部、８０４は支持基
板を表す。赤外線の照射により抵抗体８０１の温度が変
化すると、それに応じて抵抗体８０１の抵抗値が変化す
る。抵抗値の変化は、配線８０２を通して抵抗体８０１
に印加されたバイアス電流またはバイアス電圧の変化と
して観察することができる。入射した赤外線による抵抗
体８０１の温度上昇を効果的に起こすため、抵抗体８０
１は脚部８０１ａにより支持され抵抗体８０１の下部は
中空となっている。脚部８０１ａはマイクロマシニング
技術を用いて形成される。Hereinafter, a bolometer-type infrared detector will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a perspective view of an example of the bolometer type detector. In FIG. 5, reference numeral 801 denotes a resistor, 802 denotes a wiring, 803 denotes an insulating unit, and 804 denotes a support substrate. When the temperature of the resistor 801 changes due to the irradiation of infrared rays, the resistance value of the resistor 801 changes accordingly. The change in the resistance value is determined by the resistance
Can be observed as a change in the bias current or bias voltage applied to. In order to effectively raise the temperature of the resistor 801 due to the incident infrared rays, the resistor 80
1 is supported by the leg 801a, and the lower part of the resistor 801 is hollow. The legs 801a are formed using a micromachining technique.
【０００７】ボロメーター型検出器の抵抗体としては、
これまで薄膜状の金属、酸化バナジウム等のセラミック
ス、多結晶シリコン等が使用されている。しかし、いず
れも、これを集積して赤外線検出器アレイとするには、
量産性または性能の上で問題があった。As a resistor of the bolometer type detector,
Heretofore, thin-film metals, ceramics such as vanadium oxide, and polycrystalline silicon have been used. However, to integrate them into an infrared detector array,
There was a problem with mass production or performance.
【０００８】金属薄膜を検出器の抵抗体とした場合、抵
抗値の温度による変化率（以下抵抗温度係数）が0.5％
／k程度と低いため検出器としての赤外線に対する感度
が不足する。酸化バナジウムを検出器の抵抗体として用
いた場合は、抵抗温度係数が約２.0％／kと高いが、半
導体の製造工程で一般に利用されない材料であるため、
半導体素子よりなる信号出力回路と一貫製造することが
できず、量産性に問題があった。また多結晶シリコンを
検出器の抵抗体として用いれば、信号出力回路と一貫製
造可能であるが、抵抗温度係数を高くして検出器を高感
度とするためには、不純物ドーピング量を減らす必要が
あり、結晶粒界に形成されたトラップ準位による伝導が
支配的となるため抵抗雑音が大きくなり、検出信号のS/
N比が悪くなる問題があった。When the metal thin film is used as the resistor of the detector, the rate of change of the resistance value with temperature (hereinafter referred to as the temperature coefficient of resistance) is 0.5%.
/ K, the sensitivity to infrared rays as a detector is insufficient. When vanadium oxide is used as the resistor of the detector, the temperature coefficient of resistance is as high as about 2.0% / k, but it is a material that is not generally used in the semiconductor manufacturing process.
It could not be manufactured consistently with a signal output circuit composed of a semiconductor element, and there was a problem in mass productivity. If polycrystalline silicon is used as the detector resistor, it can be integrated with the signal output circuit.However, in order to increase the temperature coefficient of resistance and increase the sensitivity of the detector, it is necessary to reduce the amount of impurity doping. Yes, conduction due to trap levels formed at crystal grain boundaries becomes dominant, so resistance noise increases, and S / S
There was a problem that the N ratio deteriorated.
【０００９】ボロメーター型と異なる熱型検出器とし
て、半導体接合素子を利用した検出器が提案されている
（特開平９−１６６４９７号、特開平８−１８６２８３
号公報）。半導体接合素子とは単結晶シリコン上に形成
されたｐｎ接合、ショットキー接合ダイオードまたは各
種トランジスタである。As a thermal type detector different from the bolometer type, a detector using a semiconductor junction element has been proposed (JP-A-9-166497, JP-A-8-186283).
No.). The semiconductor junction element is a pn junction, a Schottky junction diode, or various transistors formed on single crystal silicon.
【００１０】これら半導体接合素子を利用した熱型検出
器は、半導体接合素子の電流−電圧特性の温度による変
化を利用して赤外線を検出する。半導体層は不純物が高
濃度にドーピングされており、また半導体層の結晶性が
良いため抵抗雑音が小さい。このため、高S/N比の赤外
線検出信号を得ることができる。A thermal detector using these semiconductor junction elements detects infrared rays by utilizing a change in current-voltage characteristics of the semiconductor junction element with temperature. The semiconductor layer is heavily doped with impurities, and has low resistance noise due to good crystallinity of the semiconductor layer. Therefore, an infrared detection signal having a high S / N ratio can be obtained.
【００１１】尚、半導体接合素子を単結晶シリコン基板
に直接形成すると、シリコンの高い熱伝導係数のため、
半導体接合素子の赤外線による温度上昇が効率良く起き
ず、赤外線に対する十分な感度が得られない。そこで、
半導体接合素子を形成するシリコン層を熱伝導係数の比
較的小さな酸化膜によってシリコン基板と分離した、い
わゆるＳＯＩ構造とし、さらにその下部を中空とするこ
とが提案されている（特開平８−１８６２８３号公
報）。When a semiconductor junction element is formed directly on a single-crystal silicon substrate, silicon has a high thermal conductivity,
The temperature rise of the semiconductor junction element due to infrared rays does not occur efficiently, and sufficient sensitivity to infrared rays cannot be obtained. Therefore,
It has been proposed to form a so-called SOI structure in which a silicon layer forming a semiconductor junction element is separated from a silicon substrate by an oxide film having a relatively small heat conduction coefficient, and further make the lower part hollow (Japanese Patent Laid-Open No. 8-186283). Gazette).
【００１２】半導体接合素子を用いた熱型検出器は、上
述したように、赤外線検出器アレイとするのに必要な要
件を満たす。即ち、半導体工程で製造することができ、
高感度かつ低雑音の信号を得ることができる。As described above, a thermal detector using a semiconductor junction element satisfies the requirements necessary for forming an infrared detector array. That is, it can be manufactured in a semiconductor process,
A signal with high sensitivity and low noise can be obtained.
【００１３】[0013]
【発明が解決しようとする課題】しかし、これを信号出
力回路と共に集積し、赤外線検出器アレイを具体的に構
成した例はこれまでになかった。本発明は、従来技術の
このような状況に鑑みてなされたものであり、半導体接
合素子を熱型検出器として使用し、半導体工程で一貫製
造可能で、高感度かつ低雑音な熱型赤外線検出器アレイ
及びその製造方法を提供することを目的としている。However, there has been no example in which this is integrated with a signal output circuit to form an infrared detector array specifically. The present invention has been made in view of such a situation of the prior art, and uses a semiconductor junction element as a thermal detector, can be manufactured consistently in a semiconductor process, and has high sensitivity and low noise thermal infrared detection. It is an object of the present invention to provide a container array and a method for manufacturing the same.
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の熱型赤外線検出器アレイは、複数の熱型赤外
線検出器と、該熱型赤外線検出器から出力される電気信
号を外部に出力する信号出力回路を備え、前記熱型赤外
線検出器が、単結晶シリコン基板上に酸化膜を介して設
けられた単結晶シリコン層に1次元または２次元に配列
して形成された半導体接合素子を含んで成り、前記信号
出力回路が単結晶シリコン基板に直接形成されたトラン
ジスタを含んで成ることを特徴とする。このようにする
ことで、信号出力回路を構成するトランジスタの耐圧が
高くなり、検出器の駆動電圧を上げて高感度化すること
ができる。In order to solve the above-mentioned problems, a thermal infrared detector array according to the present invention comprises a plurality of thermal infrared detectors and an electric signal output from the thermal infrared detector. A semiconductor junction formed by arranging the thermal infrared detector in a one-dimensional or two-dimensional manner on a single-crystal silicon layer provided on a single-crystal silicon substrate via an oxide film. The signal output circuit includes a transistor formed directly on a single crystal silicon substrate. With this configuration, the withstand voltage of the transistor included in the signal output circuit increases, and the drive voltage of the detector can be increased to increase the sensitivity.
【００１５】また、本発明の熱型赤外線検出器アレイに
おいては、半導体接合素子の熱絶縁性を高めるため、前
記半導体接合素子の下部の単結晶シリコン基板が一部除
去されて空洞化しており、その部分において前記半導体
接合素子が前記酸化膜に支持されていることが好まし
い。Further, in the thermal infrared detector array of the present invention, in order to enhance the thermal insulation of the semiconductor junction device, the single crystal silicon substrate below the semiconductor junction device is partially removed to be hollow. It is preferable that the semiconductor bonding element is supported by the oxide film at that portion.
【００１６】さらに、本発明の熱型赤外線検出器アレイ
において、検出器を構成する半導体接合素子をダイオー
ドとし、ダイオードに一定電流を流す際のバイアス電圧
の温度による変化を読み取ることにより赤外線を検出し
ても良い。Further, in the thermal infrared detector array of the present invention, a semiconductor junction element constituting the detector is a diode, and infrared rays are detected by reading a change in bias voltage with temperature when a constant current flows through the diode. May be.
【００１７】またさらに、本発明の熱型赤外線検出器ア
レイにおいて、検出器を構成する半導体接合素子をバイ
ポーラトランジスタ、接合電界効果トランジスタ及びＭ
ＯＳトランジスタからなる群から選ばれた１つとし、バ
イポーラトランジスタにおいては能動領域の電流の、接
合電界効果トランジスタ及びＭＯＳトランジスタにおい
ては飽和領域の電流の温度による変化を読み取ることに
より赤外線を検出しても良い。Still further, in the thermal infrared detector array according to the present invention, the semiconductor junction element constituting the detector is a bipolar transistor, a junction field effect transistor, and a semiconductor field effect transistor.
Even if infrared rays are detected by reading a change in current of an active region in a bipolar transistor with a temperature in a saturation region of a junction field-effect transistor and a MOS transistor, it is selected from the group consisting of OS transistors. good.
【００１８】本発明の第１の熱型赤外線検出器アレイの
製造方法は、単結晶シリコン基板上に酸化膜を介して単
結晶シリコン層を備えた基板において、信号出力回路を
構成するトランジスタを前記単結晶シリコン基板上に直
接形成する領域であるシリコン基板上トランジスタ形成
領域の前記単結晶シリコン層を除去する工程と、前記シ
リコン基板上トランジスタ形成領域の前記酸化膜を除去
する工程と、前記単結晶シリコン層に前記熱型赤外線検
出器を構成する半導体接合素子を形成し、前記酸化膜が
除去された前記シリコン基板上トランジスタ形成領域に
信号出力回路を構成するトランジスタの一部または全部
を形成する工程とを含むことを特徴とする。このような
方法を用いると、検出器を構成する半導体接合素子と信
号出力回路を構成するトランジスタの同時形成が可能と
なる。According to a first method of manufacturing a thermal infrared detector array of the present invention, a transistor forming a signal output circuit is formed on a single crystal silicon substrate provided with a single crystal silicon layer via an oxide film. Removing the single-crystal silicon layer in a transistor-on-silicon-substrate formation region that is a region directly formed on a single-crystal silicon substrate; removing the oxide film in the transistor-on-silicon-substrate formation region; Forming a semiconductor junction element constituting the thermal infrared detector on a silicon layer, and forming a part or all of a transistor constituting a signal output circuit in the transistor formation region on the silicon substrate from which the oxide film has been removed; And characterized in that: When such a method is used, it is possible to simultaneously form a semiconductor junction element forming a detector and a transistor forming a signal output circuit.
【００１９】本発明の第１の熱型赤外線検出器アレイの
製造方法においては、前記シリコン基板上トランジスタ
形成領域の単結晶シリコン層を除去する工程において、
同時に前記半導体接合素子を単結晶シリコン層に形成す
る領域である半導体接合素子形成領域の単結晶シリコン
層を島状にエッチングすることが望ましい。このような
方法を用いるとシリコン基板上トランジスタ形成領域の
処理と同時に半導体接合素子の互いの電気的分離を行う
ことができる。In the first method of manufacturing a thermal infrared detector array according to the present invention, in the step of removing the single crystal silicon layer in the transistor formation region on the silicon substrate,
At the same time, it is desirable that the single crystal silicon layer in the semiconductor junction element formation region, which is the region where the semiconductor junction element is formed in the single crystal silicon layer, is etched into an island shape. When such a method is used, the semiconductor junction elements can be electrically separated from each other simultaneously with the processing of the transistor formation region on the silicon substrate.
【００２０】本発明の第２の熱型赤外線検出器アレイの
製造方法においては、単結晶シリコン基板上に酸化膜を
介して単結晶シリコン層を備えた基板において、前記信
号出力回路を構成するトランジスタを前記単結晶シリコ
ン基板上に直接形成する領域であるシリコン基板上トラ
ンジスタ形成領域の前記単結晶シリコン層を選択酸化す
ると同時に、前記熱型赤外線検出器を構成する半導体接
合素子を前記単結晶シリコン層に形成する領域である半
導体接合素子形成領域の前記単結晶シリコン層を一定間
隔を空けて選択酸化する工程と、前記シリコン基板上ト
ランジスタ形成領域の選択酸化された単結晶シリコン層
及び前記酸化膜を除去する工程と、前記半導体接合素子
形成領域に前記熱型赤外線検出器を構成する半導体接合
素子を形成し、前記シリコン基板上トランジスタ形成領
域に前記信号出力回路を構成するトランジスタの一部ま
たは全部を形成する工程を含むことを特徴とするもので
ある。この方法によれば、検出器を構成する半導体接合
素子と信号出力回路を構成するトランジスタの同時形成
を可能にすると共に単結晶シリコン層の端における段差
を緩和することができる。In a second method of manufacturing a thermal infrared detector array according to the present invention, a transistor constituting the signal output circuit is provided on a substrate having a single crystal silicon layer on a single crystal silicon substrate via an oxide film. Is selectively oxidized on the single crystal silicon layer in the transistor formation region on the silicon substrate which is a region directly formed on the single crystal silicon substrate, and at the same time, the single crystal silicon layer forming the thermal infrared detector is connected to the single crystal silicon layer. Selectively oxidizing the single crystal silicon layer of the semiconductor junction element formation region, which is a region to be formed, at regular intervals; and selectively oxidizing the single crystal silicon layer and the oxide film of the transistor formation region on the silicon substrate. Removing, forming a semiconductor junction element constituting the thermal infrared detector in the semiconductor junction element formation region, It is characterized in further comprising the step of forming some or all of the transistors constituting the signal output circuit on a silicon substrate transistor forming region. According to this method, it is possible to simultaneously form the semiconductor junction element forming the detector and the transistor forming the signal output circuit, and reduce the step at the end of the single crystal silicon layer.
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１（ａ）及び
（ｂ）は、本発明の熱型赤外線検出器アレイの例を示す
断面概略図及び斜視概略図である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1A and 1B are a schematic sectional view and a schematic perspective view showing an example of a thermal infrared detector array according to the present invention.
【００２２】図１に示す本発明の熱型赤外線検出器アレ
イは、３行ｘ３列に配列された熱型赤外線検出器１０３
と、熱型赤外線検出器１０３から出力される信号出力回
路１０４を備えている。The thermal infrared detector array of the present invention shown in FIG. 1 has a thermal infrared detector 103 arranged in 3 rows × 3 columns.
And a signal output circuit 104 output from the thermal infrared detector 103.
【００２３】熱型赤外線検出器１０３は、単結晶シリコ
ン基板１００上に酸化膜１０１を介して設けられた単結
晶シリコン層１０２に３行ｘ３列に配列して形成された
半導体接合素子１０５より成る。ここで、半導体接合素
子１０５は、ｐｎ接合ダイオードであり、１０５ａ、１
０５ｂはｐｎ接合ダイオードのｐ型領域及びｎ型領域で
ある。尚、本実施の形態においては、半導体接合素子１
０５は２次元に配列されているが、これを１次元の配列
としても良い。The thermal infrared detector 103 comprises a semiconductor junction element 105 formed in a single crystal silicon layer 102 provided on a single crystal silicon substrate 100 with an oxide film 101 interposed therebetween in three rows and three columns. . Here, the semiconductor junction element 105 is a pn junction diode, and 105a, 1
05b is a p-type region and an n-type region of the pn junction diode. In the present embodiment, the semiconductor bonding element 1
Although 05 is arranged two-dimensionally, it may be arranged as a one-dimensional arrangement.
【００２４】信号出力回路１０４は、例えば複数のトラ
ンジスタ１０６を含んで構成されており、その複数のト
ランジスタ１０６のうち、一部が単結晶シリコン基板１
００の上に直接形成されている。尚、図１（A）におい
て、１０６ａは信号出力回路を構成するトランジスタ１
０６のゲート電極、１０６ｂは該トランジスタ１０６の
ソースまたはドレイン電極である。The signal output circuit 104 includes, for example, a plurality of transistors 106, and a part of the plurality of transistors 106 is a single crystal silicon substrate 1.
It is formed directly on 00. In FIG. 1A, reference numeral 106a denotes a transistor 1 constituting a signal output circuit.
A gate electrode 06b is a source or drain electrode of the transistor 106.
【００２５】熱型赤外線検出器アレイ全体は、保護膜１
０７に覆われており、検出器を構成するｐｎ接合ダイオ
ード１０５の下部には空洞１０８が形成されている。１
０９は空洞形成のためのエッチング孔である。尚図１に
おいては簡単のため、配線、素子分離層、コンデンサ、
抵抗などは省略している。The entire thermal infrared detector array is composed of a protective film 1
07, a cavity 108 is formed below the pn junction diode 105 constituting the detector. 1
Reference numeral 09 denotes an etching hole for forming a cavity. In FIG. 1, for simplicity, wiring, element isolation layers, capacitors,
The resistance and the like are omitted.
【００２６】以上のように構成された検出器アレイにお
いて、検出器アレイの上面より入射した赤外線は、ｐｎ
接合ダイオード１０５の温度を上昇させ、電流−電圧特
性を変化させる。ｐｎ接合ダイオード１０５には、一定
電流が流れるよう順方向バイアス電圧が印加されてお
り、電流電圧特性の変化に伴いバイアス電圧が変化す
る。この温度によるバイアス電圧の変化を信号出力回路
１０４により読み取り、ｐｎ接合ダイオード１０５の各
々に入射する赤外線量を検出することができる。In the detector array configured as described above, the infrared light incident from the upper surface of the detector array is pn
The temperature of the junction diode 105 is raised to change the current-voltage characteristics. A forward bias voltage is applied to the pn junction diode 105 so that a constant current flows, and the bias voltage changes with a change in current-voltage characteristics. The change in the bias voltage due to this temperature is read by the signal output circuit 104, and the amount of infrared rays incident on each of the pn junction diodes 105 can be detected.
【００２７】図１において、ｐｎ接合ダイオード１０５
は簡単のため単一のｐｎ接合として表わしているが、温
度に対する感度、即ち一定電流をｐｎ接合ダイオードに
流すためのバイアス電圧の温度による変化を大きくする
ためには、ｐｎ接合を複数個直列に接続した構成とする
ことが望ましい。単独のｐｎ接合におけるバイアス電圧
の温度に対する感度は1.4mV/K程度と小さいが、例えば
ｎ個連結することにより感度をｎ倍とすることができ
る。したがって、できるだけ多数のｐｎ接合を連結する
方が良いが、必要なバイアス電圧も連結数に比例して大
きくなるため、１０個程度の連結数とするのが好まし
い。In FIG. 1, a pn junction diode 105
Is represented as a single pn junction for the sake of simplicity, but in order to increase the sensitivity to temperature, that is, the change in bias voltage for flowing a constant current through the pn junction diode with temperature, a plurality of pn junctions are connected in series. It is desirable to have a connected configuration. The sensitivity of a single pn junction to the temperature of the bias voltage is as small as about 1.4 mV / K. For example, the sensitivity can be increased by n times by connecting n pieces. Therefore, it is better to connect as many pn junctions as possible. However, since the required bias voltage increases in proportion to the number of connections, it is preferable to set the number of connections to about ten.
【００２８】尚、ここでは検出器としてｐｎ接合ダイオ
ードを用いているが、温度により電気特性の変化する素
子であれば良く、ショットキー接合ダイオード、バイポ
ーラトランジスタ、接合電界効果トランジスタ、MOSト
ランジスタを用いることもできる。ショットキー接合ダ
イオードは、ｐｎ接合ダイオードと同じ方法で検出器と
して使用しうる。Although a pn junction diode is used as the detector here, any element whose electrical characteristics change depending on temperature may be used, and a Schottky junction diode, bipolar transistor, junction field effect transistor, or MOS transistor may be used. Can also. Schottky junction diodes can be used as detectors in the same way as pn junction diodes.
【００２９】バイポーラトランジスタは、能動領域を流
れる電流値の変化を出力信号として取り出せば良く、接
合電界効果トランジスタ及びMOSトランジスタにおいて
は飽和領域を流れる電流値の変化を出力信号の変化とし
て取り出せば良い。トランジスタは端子数がダイオード
に比べて増加するため、赤外線を吸収する素子の有効面
積が減少するが、ダイオードよりも低電圧で感度を得る
ことができる利点がある。In a bipolar transistor, the change in the value of the current flowing in the active region may be extracted as an output signal, and in the junction field effect transistor and the MOS transistor, the change in the value of the current flowing in the saturated region may be extracted as a change in the output signal. A transistor has an increased number of terminals as compared to a diode, so that the effective area of an element that absorbs infrared light is reduced. However, there is an advantage that sensitivity can be obtained at a lower voltage than a diode.
【００３０】また、本実施の形態では、赤外線によるｐ
ｎ接合ダイオード１０５の温度上昇を効率よく起こすた
め、ｐｎ接合ダイオード１０５を形成する単結晶シリコ
ン層１０２は、熱伝導係数の比較的小さな酸化膜１０１
によって単結晶シリコン基板１００と分離されている。
この分離構造は一般にＳＯＩ構造と呼ばれるものであ
る。また、さらに熱絶縁性を高めるためｐｎ接合ダイオ
ード１０５の下部に空洞１０８が形成され、空洞形成部
においてｐｎ接合ダイオード１０５は酸化膜１０１に支
持された構造となっている。Also, in the present embodiment, p
In order to efficiently raise the temperature of the n-junction diode 105, the single-crystal silicon layer 102 forming the pn junction diode 105 is formed of an oxide film 101 having a relatively small heat conduction coefficient.
Is separated from the single crystal silicon substrate 100.
This separation structure is generally called an SOI structure. Further, a cavity 108 is formed below the pn junction diode 105 in order to further enhance the thermal insulation, and the pn junction diode 105 has a structure supported by the oxide film 101 in the cavity forming portion.
【００３１】上記ＳＯＩ構造は、単結晶シリコン基板へ
酸素イオン注入を行うことにより作成されるＳＩＭＯＸ
基板や、酸化膜を形成した単結晶シリコン基板に別の単
結晶シリコン基板を貼りあわせて研磨することにより作
成される貼りあわせ基板等のいわゆるＳＯＩ基板を用い
て形成する事ができる。The SOI structure is formed by SIMOX formed by implanting oxygen ions into a single crystal silicon substrate.
The substrate can be formed using a so-called SOI substrate such as a bonded substrate formed by bonding another single crystal silicon substrate to a single crystal silicon substrate over which an oxide film is formed and polishing the single crystal silicon substrate.
【００３２】いわゆるＳＯＩ基板に通常の半導体プロセ
スを適用した場合、信号出力回路１０４を構成するトラ
ンジスタ１０６は、ｐｎ接合ダイオード１０５と同じ単
結晶シリコン層１０２上に形成することとなる。しか
し、信号出力回路１０４を構成するトランジスタ１０６
を単結晶シリコン層１０２上に形成すると、ＳＯＩ構造
特有の原因により不都合が起きる。このため、本発明に
おいては信号出力回路１０４を構成するトランジスタの
うち不都合が起きるものを単結晶シリコン基板１００の
上に直接形成している。以下この不都合について説明す
る。When a normal semiconductor process is applied to a so-called SOI substrate, the transistor 106 forming the signal output circuit 104 is formed on the same single crystal silicon layer 102 as the pn junction diode 105. However, the transistor 106 forming the signal output circuit 104
Is formed on the single crystal silicon layer 102, a problem occurs due to a cause peculiar to the SOI structure. For this reason, in the present invention, a transistor which causes a problem among the transistors constituting the signal output circuit 104 is formed directly on the single crystal silicon substrate 100. Hereinafter, this disadvantage will be described.
【００３３】まず、信号出力回路の構成および動作につ
いて説明する。図３に、信号出力回路の構成を表すブロ
ック図を示す。図３において、３０１は垂直シフトレジ
スタ、３０２は水平シフトレジスタ、３０３は増幅器、
３０４は積分器、３０５はバッファ、３０６は検出器と
なるｐｎ接合ダイオードである。まず、垂直シフトレジ
スタ３０１により、マトリックス状に配列されたｐｎ接
合ダイオード３０６のある行が選択される。選択された
行のｐｎ接合ダイオード３０６には、垂直シフトレジス
タ３０１中のアナログスイッチを通して順バイアス電圧
が印加される。垂直シフトレジスタによる１行の選択期
間中に、水平シフトレジスタ３０２により各列が順次選
択され、選択された行・列のｐｎ接合ダイオード３０６
からの出力信号が順次読みだされる。読み出された出力
信号は、増幅器３０３、積分器３０４、バッファ３０５
を通して外部に出力される。ここで、増幅器３０３は出
力信号を増幅する働きをし、積分器３０４は帯域制限に
より雑音を抑制し、バッファ３０５は低インピーダンス
化により駆動能力を増大する。First, the configuration and operation of the signal output circuit will be described. FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the signal output circuit. 3, reference numeral 301 denotes a vertical shift register, 302 denotes a horizontal shift register, 303 denotes an amplifier,
304 is an integrator, 305 is a buffer, and 306 is a pn junction diode serving as a detector. First, a certain row of the pn junction diodes 306 arranged in a matrix is selected by the vertical shift register 301. A forward bias voltage is applied to the pn junction diode 306 in the selected row through an analog switch in the vertical shift register 301. During the selection period of one row by the vertical shift register, each column is sequentially selected by the horizontal shift register 302, and the pn junction diode 306 of the selected row / column is selected.
Are sequentially read out. The read output signal is supplied to an amplifier 303, an integrator 304, and a buffer 305.
Output to the outside through Here, the amplifier 303 functions to amplify the output signal, the integrator 304 suppresses noise by band limitation, and the buffer 305 increases driving capability by lowering impedance.
【００３４】次に、ＳＯＩ基板の単結晶シリコン層に形
成されるトランジスタの特性について説明する。ＳＯＩ
基板の単結晶シリコン層は、厚さ１０００−２０００Å
であり、シリコン基板と酸化膜により電気的に絶縁され
ている。このため、寄生容量が小さくなり低消費電力、
高速動作という利点を有する一方、次の問題点を有す
る。Next, characteristics of a transistor formed in a single crystal silicon layer of an SOI substrate will be described. SOI
The single crystal silicon layer of the substrate has a thickness of 1000-2000Å
And is electrically insulated by the silicon substrate and the oxide film. For this reason, the parasitic capacitance becomes smaller, lower power consumption,
While having the advantage of high speed operation, it has the following problems.
【００３５】（１）ＳＯＩ基板の単結晶シリコン層に形
成されたトランジスタのソース−ドレイン間耐圧が低
い。 寄生バイポーラトランジスタ効果のためソース−ドレイ
ン間耐圧が低く、ソース−ドレイン間電圧５Ｖ以上では
動作困難である。(1) The transistor formed on the single crystal silicon layer of the SOI substrate has a low withstand voltage between source and drain. The source-drain withstand voltage is low due to the parasitic bipolar transistor effect, and it is difficult to operate at a source-drain voltage of 5 V or more.
【００３６】（２）ＳＯＩ基板の単結晶シリコン層に形
成されたトランジスタの飽和領域電流が不安定。 基板浮遊効果のため、トランジスタの電流電圧特性にキ
ンク現象と呼ばれる異常が起き、本来一定電流となる飽
和領域においてソースドレイン電流がソースドレイン電
圧により変化する。図２にキンク現象を起こしたトラン
ジスタの電流−電圧（ＩDS-ＶDS）特性を示す。(2) The transistor formed in the single crystal silicon layer of the SOI substrate has an unstable current in the saturation region. Due to the substrate floating effect, an abnormality called a kink phenomenon occurs in the current-voltage characteristics of the transistor, and the source-drain current changes due to the source-drain voltage in the saturation region where the current is originally constant. Current of the transistor that caused the kink phenomenon in Figure 2 - shows the voltage (I DS- V DS) characteristics.
【００３７】信号出力回路の各要素回路は、主にトラン
ジスタにより構成されており、それらトランジスタが、
ＳＯＩ基板の単結晶シリコン層に形成された場合次の２
点の不都合が発生する。Each element circuit of the signal output circuit is mainly composed of transistors.
When formed on a single crystal silicon layer of an SOI substrate, the following 2
Point inconvenience occurs.
【００３８】（１）信号出力回路のトランジスタ耐圧不
足による検出器のバイアス電圧不足。 検出器となるｐｎ接合ダイオード３０６のバイアス電圧
は、信号出力回路の垂直シフトレジスタ３０１中のアナ
ログスイッチを通して印加される。アナログスイッチは
トランジスタより成り、当該トランジスタが単結晶シリ
コン層上に形成された場合、トランジスタ耐圧の制約に
より５Ｖ程度のバイアス電圧しか印加することができな
い。一方、ｐｎ接合ダイオード３０６は前述の通り高感
度とするためできるだけ多数のｐｎ接合を連結すること
が望ましいが、１個のｐｎ接合につき約0.7Vのバイアス
電圧の印加が必要である。したがって、検出器のｐｎ接
合の連結数が最大でも7個以下となるため、十分な感度
を得ることができない。(1) Insufficient bias voltage of the detector due to insufficient transistor breakdown voltage of the signal output circuit. The bias voltage of the pn junction diode 306 serving as a detector is applied through an analog switch in the vertical shift register 301 of the signal output circuit. The analog switch is composed of a transistor. When the transistor is formed on a single crystal silicon layer, only a bias voltage of about 5 V can be applied due to the limitation of the transistor breakdown voltage. On the other hand, as described above, it is desirable to connect as many pn junctions as possible to the pn junction diode 306 in order to achieve high sensitivity. However, it is necessary to apply a bias voltage of about 0.7 V per pn junction. Therefore, the number of connected pn junctions of the detector is at most 7 or less, so that sufficient sensitivity cannot be obtained.
【００３９】（２）キンク現象による検出器出力信号の
歪み。 検出器の出力信号は、信号出力回路の増幅器３０３、積
分器３０４、バッファ３０５を通して外部に出力され
る。この時、これらの回路の内、アナログ動作をするト
ランジスタが単結晶シリコン層に形成されていると、キ
ンク現象により出力信号に歪みが生じる。この原因を、
バッファ３０５を例に図面を参照しながら説明する。図
７はバッファ３０５の典型例であるソースフォロワ回路
の回路図である。図７において３０５ａ、３０５ｂはＮ
ＭＯＳトランジスタである。正常なソースフォロワ回路
の動作は下記の通りである。下段のＮＭＯＳトランジス
タ３０５ｂは、ゲート電圧が固定されているため、ソー
スドレイン電圧に拠らず一定のソースドレイン電流が流
れる。上段のＮＭＯＳトランジスタ３０５ａに流れるソ
ースドレイン電流は下段のＮＭＯＳトランジスタ３０５
ｂにより規制されて一定となる。このため、ＮＭＯＳト
ランジスタ３０５ａのゲートソース間の電位が一定に保
たれ、信号入力に応じた出力が得られる。ここでＮＭＯ
Ｓトランジスタ３０５ｂにキンク現象が起きると本来一
定のソースドレイン電流がソースドレイン電圧により変
動するため、ＮＭＯＳトランジスタ３０５ａのゲートソ
ース間の電位が変動してしまい、入力信号と出力信号の
比例関係が崩れ、信号に歪みが生じる。これと類似の現
象が増幅器３０３、積分器３０４のアナログ動作をする
トランジスタにおいても起こり、各々のトランジスタに
おいて出力信号が歪むこととなる。(2) Distortion of the detector output signal due to the kink phenomenon. The output signal of the detector is output to the outside through an amplifier 303, an integrator 304, and a buffer 305 of a signal output circuit. At this time, if a transistor that performs an analog operation among these circuits is formed in a single crystal silicon layer, a kink phenomenon causes a distortion in an output signal. This cause
The buffer 305 will be described as an example with reference to the drawings. FIG. 7 is a circuit diagram of a source follower circuit which is a typical example of the buffer 305. In FIG. 7, 305a and 305b are N
It is a MOS transistor. The normal operation of the source follower circuit is as follows. Since the gate voltage of the lower NMOS transistor 305b is fixed, a constant source / drain current flows regardless of the source / drain voltage. The source / drain current flowing through the upper NMOS transistor 305a is
It is regulated by b and becomes constant. Therefore, the potential between the gate and the source of the NMOS transistor 305a is kept constant, and an output corresponding to the signal input is obtained. Where NMO
When a kink phenomenon occurs in the S transistor 305b, an originally constant source / drain current fluctuates due to the source / drain voltage, so that the potential between the gate and the source of the NMOS transistor 305a fluctuates, and the proportional relationship between the input signal and the output signal is broken. The signal is distorted. A similar phenomenon occurs in the analog-operating transistors of the amplifier 303 and the integrator 304, and the output signal of each transistor is distorted.
【００４０】これらの不都合を避けるため、本実施の形
態においては、信号出力回路を構成するトランジスタの
うち検出器に印加するバイアス電圧を決定するトランジ
スタ及び検出器出力信号が通過しアナログ動作をするト
ランジスタを直接単結晶シリコン基板上に形成する。In order to avoid these inconveniences, in this embodiment, among the transistors constituting the signal output circuit, a transistor for determining a bias voltage to be applied to the detector and a transistor for passing the detector output signal and performing an analog operation Is formed directly on a single crystal silicon substrate.
【００４１】尚、信号出力回路を構成するトランジスタ
の内上記不都合を生じないトランジスタについては、単
結晶シリコン層に形成して寄生容量低減等の利点を生か
しても良いし、全てのトランジスタを単結晶シリコン基
板上に直接形成しても良い。Of the transistors constituting the signal output circuit, those transistors which do not cause the above-mentioned inconveniences may be formed in a single-crystal silicon layer to take advantage of a reduction in parasitic capacitance or the like. It may be formed directly on a silicon substrate.
【００４２】次に、本発明の熱型赤外線検出器アレイの
第１の製造方法について、図面を参照しながら説明す
る。図４は、本発明の製造方法の１例を示す工程断面図
である。Next, a first method for manufacturing a thermal infrared detector array according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a process sectional view showing one example of the manufacturing method of the present invention.
【００４３】まず、図４（ａ）に示すように単結晶シリ
コン基板４００上に酸化膜４０１を介して単結晶シリコ
ン層４０２が設けられた基板を準備する。この基板は、
単結晶シリコン基板へ酸素イオン注入を行うことにより
作成されるＳＩＭＯＸ基板や、酸化膜を形成した単結晶
シリコン基板に別の単結晶シリコン基板を貼りあわせて
研磨することにより作成される貼りあわせ基板として入
手可能である。単結晶シリコン層４０２の厚みは１００
０〜２０００Å、酸化膜４０１の厚みは１０００から４
０００Åの基板が一般に入手可能である。酸化膜４０１
の厚みは薄すぎてはピンホールなどの問題が起きるが、
薄いほど検出器の熱絶縁が良好となるため１０００Å程
度とすることが望ましい。First, as shown in FIG. 4A, a substrate having a single crystal silicon layer 402 provided on a single crystal silicon substrate 400 with an oxide film 401 interposed therebetween is prepared. This board
A SIMOX substrate created by implanting oxygen ions into a single-crystal silicon substrate, or a bonded substrate created by polishing and polishing another single-crystal silicon substrate on a single-crystal silicon substrate on which an oxide film is formed Available. The thickness of the single crystal silicon layer 402 is 100
0 to 2000 °, the thickness of the oxide film 401 is 1000 to 4
A substrate of 000 ° is generally available. Oxide film 401
If the thickness is too thin, problems such as pinholes will occur,
The thinner the better, the better the thermal insulation of the detector.
【００４４】次に、図４（ｂ）に示すように、単結晶シ
リコン基板４００上に信号出力回路を構成するトランジ
スタを形成する領域であるシリコン基板上トランジスタ
形成領域４０４ａの単結晶シリコン層４０２をエッチン
グにより除去する。この時、同時に、半導体接合素子を
単結晶シリコン層４０２に形成する領域である半導体接
合素子形成領域４０３の単結晶シリコン層４０２を島状
にエッチングする。またさらに同時に、単結晶シリコン
層４０２上に信号出力回路を構成するトランジスタを形
成する領域であるシリコン層上トランジスタ形成領域４
０４ｂの単結晶シリコン層４０２も同様に島状にエッチ
ングする。これらのエッチングにより半導体接合素子及
びを電気的分離するための単結晶シリコン層４０２の選
択酸化等が不要となる。尚、これら島状のエッチングを
行う代わりに、選択酸化等により素子の電気的分離を行
ってもよい。また、信号出力回路を構成するトランジス
タを全て単結晶シリコン基板４００上に直接形成する場
合は、前記シリコン層上トランジスタ形成領域４０４ｂ
は不要となるため、該領域の島状エッチングも選択酸化
等も不要であることはいうまでもない。Next, as shown in FIG. 4B, the single crystal silicon layer 402 of the transistor formation region 404a on the silicon substrate, which is a region for forming a transistor constituting a signal output circuit, is formed on the single crystal silicon substrate 400. It is removed by etching. At this time, the single crystal silicon layer 402 in the semiconductor junction element formation region 403 where the semiconductor junction element is formed in the single crystal silicon layer 402 is simultaneously etched into an island shape. At the same time, the transistor formation region 4 on the silicon layer, which is a region for forming a transistor constituting a signal output circuit on the single crystal silicon layer 402,
The single-crystal silicon layer 402b of 04b is similarly etched into an island shape. By such etching, selective oxidation or the like of the single crystal silicon layer 402 for electrically isolating the semiconductor junction element and the semiconductor junction element becomes unnecessary. Instead of performing these island-shaped etchings, the elements may be electrically separated by selective oxidation or the like. When all the transistors constituting the signal output circuit are formed directly on the single crystal silicon substrate 400, the transistor formation region 404b on the silicon layer is used.
It is needless to say that island-like etching, selective oxidation, and the like of the region are not required since the above is unnecessary.
【００４５】次に、図４（ｃ）に示すように、シリコン
基板上トランジスタ形成領域４０４ａの酸化膜４０１を
エッチングにより除去する。これにより、シリコン基板
上トランジスタ形成領域４０４への単結晶シリコン基板
４００への直接のトランジスタ形成が可能となる。Next, as shown in FIG. 4C, the oxide film 401 in the transistor formation region 404a on the silicon substrate is removed by etching. Thus, it is possible to directly form a transistor on the single crystal silicon substrate 400 in the transistor formation region 404 on the silicon substrate.
【００４６】次に、図４（ｄ）に示すように、シリコン
基板上トランジスタ形成領域４０４に形成するトランジ
スタを電気的分離するためのフィールド酸化膜４１０を
形成する。フィールド酸化膜４１０の形成には、一般的
な選択酸化の手法を用いることができる。Next, as shown in FIG. 4D, a field oxide film 410 for electrically separating a transistor formed in the transistor formation region 404 on the silicon substrate is formed. For forming the field oxide film 410, a general selective oxidation method can be used.
【００４７】次に、図５（ａ）に示すように半導体接合
素子形成領域４０３に半導体接合素子であるｐｎ接合ダ
イオード４０５を形成し、これと同時に、シリコン基板
上トランジスタ形成領域４０４ａ及びシリコン層上トラ
ンジスタ形成領域４０４ｂに信号出力回路を構成するト
ランジスタ４０６を形成する。形成には一般的なＭＯＳ
トランジスタ回路の製造手法を用いることができる。ト
ランジスタ４０６のゲート電極４０６ａを形成した後、
適当なドーピングを行いダイオード４０５のｐまたはｎ
型電極４０５ａ及びトランジスタのソース、ドレイン電
極４０６ｂを形成する。尚、ドーパンドを変える等の理
由のある時は、ｐｎ接合ダイオード４０５とトランジス
タ４０６別々に形成しても良い。Next, as shown in FIG. 5A, a pn junction diode 405 as a semiconductor junction element is formed in the semiconductor junction element formation area 403, and at the same time, a transistor formation area 404a on the silicon substrate and a The transistor 406 included in the signal output circuit is formed in the transistor formation region 404b. General MOS for formation
A transistor circuit manufacturing method can be used. After forming the gate electrode 406a of the transistor 406,
With appropriate doping, the p or n of diode 405
A mold electrode 405a and source and drain electrodes 406b of the transistor are formed. When there is a reason such as changing the dopant, the pn junction diode 405 and the transistor 406 may be formed separately.
【００４８】次に、図５（ｂ）に示すように、検出器を
構成するダイオード４０５の電極４０５ａ、４０５ｂ、
信号出力回路を構成するトランジスタ４０６のゲート電
極４０６ａ、ソースまたはドレイン電極４０６ｂなどの
間を配線４１１により連結し、保護膜４０７を形成す
る。配線４１１及び保護膜４０７は、いずれも一般的な
ＭＯＳトランジスタ回路の製造に用いられる材料、プロ
セスにより形成可能である。Next, as shown in FIG. 5B, the electrodes 405a, 405b of the diode 405 constituting the detector,
A gate electrode 406a, a source or drain electrode 406b, and the like of the transistor 406 included in the signal output circuit are connected by a wiring 411, so that a protective film 407 is formed. Both the wiring 411 and the protective film 407 can be formed by a material and a process used for manufacturing a general MOS transistor circuit.
【００４９】最後に、図５（ｃ）に示すように、検出器
となるダイオード４０５の下部に空洞４０８を形成す
る。空洞４０８は、保護膜４０７及び酸化膜４０１に設
けられたエッチング孔４０９から気体または液体を用い
て単結晶シリコン基板４００の一部をエッチングするこ
とにより設けられる。エッチングには異方性エッチング
及び等方性エッチングが使用できる。異方性エッチング
に用いられるエッチング溶液の例としては、水酸化カリ
ウム溶液、ヒドラジン溶液、エチレンジアミン−ピロカ
テコール−水（ＥＰＷ）溶液または水酸化テトラメチル
アンモニウム（ＴＭＡＨ）溶液がある。毒性がない点で
水酸化カリウム溶液およびＴＭＡＨ溶液が好ましい。ま
た、等方性エッチングには、エッチング溶液としては弗
化水素溶液が用いられ、エッチングガスとしては四弗化
炭素ガスと酸素ガスの混合ガス、六弗化イオウガスと酸
素ガスの混合ガスまたは二弗化キセノンガスが使用され
うる。Finally, as shown in FIG. 5C, a cavity 408 is formed below the diode 405 serving as a detector. The cavity 408 is formed by etching a part of the single-crystal silicon substrate 400 from the etching hole 409 provided in the protective film 407 and the oxide film 401 using a gas or a liquid. Anisotropic etching and isotropic etching can be used for the etching. Examples of an etching solution used for anisotropic etching include a potassium hydroxide solution, a hydrazine solution, an ethylenediamine-pyrocatechol-water (EPW) solution, or a tetramethylammonium hydroxide (TMAH) solution. Potassium hydroxide solution and TMAH solution are preferred because they have no toxicity. In the isotropic etching, a hydrogen fluoride solution is used as an etching solution, and a mixed gas of a carbon tetrafluoride gas and an oxygen gas, a mixed gas of a sulfur hexafluoride gas and an oxygen gas, or a difluoride gas is used as an etching gas. Xenon gas may be used.
【００５０】図４及び図５に示す製造方法によれば、単
結晶シリコン層４０２上への検出器を構成する半導体接
合素子４０５の形成と、単結晶シリコン基板４００への
信号出力回路を構成するトランジスタ４０６の形成を同
時に行うことができるため、本発明の熱型赤外線検出器
を、簡略なプロセスで製造可能である。尚、ここでは半
導体接合素子４０５をｐｎ接合ダイオードとして説明し
たが、ショットキー接合ダイオード、バイポーラトラン
ジスタ、接合型電界効果トランジスタ、ＭＯＳトランジ
スタである場合も同様の方法で製造可能である。According to the manufacturing method shown in FIGS. 4 and 5, the semiconductor junction element 405 constituting the detector is formed on the single crystal silicon layer 402, and the signal output circuit to the single crystal silicon substrate 400 is formed. Since the transistor 406 can be formed at the same time, the thermal infrared detector of the present invention can be manufactured by a simple process. Although the semiconductor junction element 405 has been described as a pn junction diode here, a Schottky junction diode, a bipolar transistor, a junction field effect transistor, and a MOS transistor can be manufactured by the same method.
【００５１】図６は、本発明の熱型検出器アレイ第２の
製造方法を示す工程断面図である。FIG. 6 is a process sectional view showing a second method of manufacturing a thermal detector array according to the present invention.
【００５２】まず、図６（ａ）において図４（ａ）と同
様に単結晶シリコン基板６００上に酸化膜６０１を介し
て単結晶シリコン層６０２が設けられた基板を準備す
る。First, in FIG. 6A, a substrate in which a single crystal silicon layer 602 is provided on a single crystal silicon substrate 600 with an oxide film 601 interposed therebetween as in FIG. 4A is prepared.
【００５３】次に、図６（ｂ）に示すように、信号出力
回路を構成するトランジスタを単結晶シリコン基板６０
０上に直接形成する領域であるシリコン基板上トランジ
スタ形成領域６０４ａの単結晶シリコン層６０２を選択
酸化すると同時に、熱型赤外線検出器を構成する半導体
接合素子を単結晶シリコン層６０２に形成する領域であ
る半導体接合素子形成領域６０３の単結晶シリコン層を
一定間隔を空けて選択酸化する。また同時に、単結晶シ
リコン層６０２上に信号出力回路を構成するトランジス
タを形成する領域であるシリコン層上トランジスタ形成
領域６０４ｂの単結晶シリコン層６０２も同様に一定間
隔を空けて選択酸化する。選択酸化された領域にはフィ
ールド酸化膜６１２が形成される。尚、信号出力回路を
構成するトランジスタを全て単結晶シリコン基板６００
上に直接形成する場合は、前記シリコン層上トランジス
タ形成領域６０４ｂは不要となるため、該領域の選択酸
化が不要であることはいうまでもない。Next, as shown in FIG. 6B, the transistors constituting the signal output circuit are replaced with a single crystal silicon substrate 60.
In the region where the single crystal silicon layer 602 of the transistor formation region 604a on the silicon substrate which is a region directly formed on the silicon substrate 604 is selectively oxidized, the semiconductor junction element forming the thermal infrared detector is formed in the single crystal silicon layer 602. The single crystal silicon layer in a certain semiconductor junction element formation region 603 is selectively oxidized at regular intervals. At the same time, the single crystal silicon layer 602 in the transistor formation region 604b on the silicon layer, which is a region for forming a transistor forming a signal output circuit over the single crystal silicon layer 602, is also selectively oxidized at regular intervals. A field oxide film 612 is formed in the selectively oxidized region. Note that all the transistors constituting the signal output circuit are made of a single crystal silicon substrate 600.
In the case of directly forming the transistor on the silicon layer, since the transistor formation region 604b on the silicon layer is not required, it is needless to say that the selective oxidation of the region is unnecessary.
【００５４】次に図６（ｃ）に示すようにシリコン基板
上トランジスタ形成領域６０４ａの選択酸化により形成
されたフィールド酸化膜６１２及び酸化膜６０１をエッ
チングにより除去する。これにより、単結晶シリコン基
板６００への直接のトランジスタ形成が可能となる。Next, as shown in FIG. 6C, the field oxide film 612 and the oxide film 601 formed by selective oxidation of the transistor formation region 604a on the silicon substrate are removed by etching. Thus, a transistor can be directly formed on single crystal silicon substrate 600.
【００５５】次に、図６（ｄ）に示すように、シリコン
基板上トランジスタ形成領域６０４ａにおいて、個々の
トランジスタを電気的分離するためのフィールド酸化膜
６１０を形成する。フィールド酸化膜６１０の形成に
は、一般的な選択酸化の手法を用いることができる。Next, as shown in FIG. 6D, a field oxide film 610 for electrically isolating the individual transistors is formed in the transistor formation region 604a on the silicon substrate. For forming the field oxide film 610, a general selective oxidation technique can be used.
【００５６】図６（ｄ）の工程に引き続き、図５（ａ）
から（ｃ）と同一の工程を適用することにより、本発明
の熱型赤外線検出器アレイを製造することができる。Following the process of FIG. 6D, FIG.
By applying the same steps from (c) to (c), the thermal infrared detector array of the present invention can be manufactured.
【００５７】図６及び図５に示す方法によれば、単結晶
シリコン層６０２上への検出器を構成する半導体接合素
子の形成と、単結晶シリコン基板６００への信号出力回
路のを構成するトランジスタ形成を同時に行うことがで
きる。また単結晶シリコン層６０２の端部の段差を平坦
化することができるため、段差部の膜のエッチング残り
や、配線の断線などのプロセス上の問題発生を抑制する
ことができる。According to the method shown in FIGS. 6 and 5, the formation of a semiconductor junction element forming a detector on the single crystal silicon layer 602 and the formation of a signal output circuit on a single crystal silicon substrate 600 The formation can be performed simultaneously. In addition, since a step at an end portion of the single crystal silicon layer 602 can be flattened, occurrence of a process problem such as an etching residue of a film at a step portion or disconnection of a wiring can be suppressed.
【００５８】[0058]
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.
【００５９】本発明に係る熱型赤外線検出器アレイは、
半導体接合素子を検出器として使用するため、検出器及
び信号出力回路が一貫製造可能であり、検出器からの出
力信号のＳ／Ｎ比が高く、また信号出力回路中のトラン
ジスタが単結晶シリコン基板上に形成されているため、
検出器への印加電圧を上げて高感度化し、検出器からの
出力信号を歪みなく外部に出力することができる。The thermal infrared detector array according to the present invention comprises:
Since the semiconductor junction element is used as the detector, the detector and the signal output circuit can be manufactured in an integrated manner, the S / N ratio of the output signal from the detector is high, and the transistor in the signal output circuit is a single crystal silicon substrate. Because it is formed on
The sensitivity can be increased by increasing the voltage applied to the detector, and the output signal from the detector can be output to the outside without distortion.
【００６０】また、本発明の熱型赤外線検出器アレイに
おいては、前記半導体接合素子の下部の単結晶シリコン
基板が一部除去して空洞化し、前記半導体接合素子を前
記酸化膜のみに支持されている構造とすることにより、
半導体接合素子の熱絶縁性が良好となり、赤外線に対す
る感度を高めることができる。Further, in the thermal infrared detector array according to the present invention, the single crystal silicon substrate below the semiconductor bonding element is partially removed to be hollow, and the semiconductor bonding element is supported only by the oxide film. By having a structure that
The thermal insulation of the semiconductor junction element is improved, and the sensitivity to infrared rays can be increased.
【００６１】さらに、本発明の熱型赤外線検出器アレイ
において、検出器を構成する半導体接合素子をダイオー
ドとすることにより、検出器の製造プロセスが簡略とな
り、必要な端子数が少ない分赤外線を吸収する有効面積
を拡大して高感度とすることができる。Further, in the thermal infrared detector array according to the present invention, by using a diode as the semiconductor junction element constituting the detector, the manufacturing process of the detector is simplified, and infrared rays are absorbed by a smaller number of necessary terminals. The effective area to be used can be increased to increase the sensitivity.
【００６２】またさらに、本発明の熱型赤外線検出器ア
レイにおいて、検出器を構成する半導体接合素子をバイ
ポーラトランジスタ、接合電界効果トランジスタ及びＭ
ＯＳトランジスタからなる群から選ばれた１つとするこ
とにより、熱型赤外線検出器アレイを低電圧で駆動する
ことが可能となる。Further, in the thermal type infrared detector array of the present invention, the semiconductor junction element constituting the detector is a bipolar transistor, a junction field effect transistor and a semiconductor junction element.
By using one selected from the group consisting of OS transistors, the thermal infrared detector array can be driven at a low voltage.
【００６３】本発明の熱型赤外線検出器アレイの第１の
製造方法によれば、単結晶シリコン層上への半導体接合
素子の形成と、単結晶シリコン基板上への信号出力回路
を構成するトランジスタの形成を同時に行うことができ
るため、本発明の熱型赤外線検出器アレイを、簡略なプ
ロセスで製造可能である。According to the first method of manufacturing a thermal infrared detector array of the present invention, a semiconductor junction element is formed on a single crystal silicon layer, and a transistor constituting a signal output circuit is formed on a single crystal silicon substrate. Can be formed at the same time, so that the thermal infrared detector array of the present invention can be manufactured by a simple process.
【００６４】また本発明の熱型赤外線検出器アレイの第
１の製造方法において、シリコン基板上トランジスタ形
成領域の単結晶シリコン層を除去する際に半導体接合素
子形成領域の単結晶シリコン層をエッチングすることに
より、半導体接合素子の電気的分離のためのフィールド
酸化膜形成が不要となり、プロセスをより簡略化でき
る。In the first method of manufacturing a thermal infrared detector array according to the present invention, when the single crystal silicon layer in the transistor formation region on the silicon substrate is removed, the single crystal silicon layer in the semiconductor junction element formation region is etched. This eliminates the need for forming a field oxide film for electrical isolation of the semiconductor junction element, and can further simplify the process.
【００６５】本発明の熱型赤外線検出器アレイの第２の
製造方法によれば、単結晶シリコン層上への半導体接合
素子の形成と、単結晶シリコン基板への信号出力回路を
構成するトランジスタの形成を同時に行うことができる
ため、本発明の熱型赤外線検出器アレイを簡略なプロセ
スで製造可能であると共に、単結晶シリコン層の端部の
段差を平坦化することができるため、段差部の膜のエッ
チング残りや、配線の断線などのプロセス上の問題発生
を抑制することができるAccording to the second method of manufacturing a thermal infrared detector array of the present invention, a semiconductor junction element is formed on a single crystal silicon layer, and a transistor for forming a signal output circuit on a single crystal silicon substrate is formed. Since the formation can be performed simultaneously, the thermal infrared detector array of the present invention can be manufactured by a simple process, and the step at the end of the single crystal silicon layer can be flattened. It is possible to suppress the occurrence of process problems such as residual film etching and disconnection of wiring.
【図１】 本発明の熱型赤外線検出器アレイの一例を示
す図面であり、（Ａ）は断面概略図、（Ｂ）は斜視概略
図である。FIG. 1 is a drawing showing an example of a thermal infrared detector array of the present invention, wherein (A) is a schematic cross-sectional view and (B) is a schematic perspective view.
【図２】 ＳＯＩ構造におけるトランジスタ特性を示す
グラフである。FIG. 2 is a graph showing transistor characteristics in an SOI structure.
【図３】 本発明の熱型赤外線検出器アレイの信号出力
回路の一例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing an example of a signal output circuit of the thermal infrared detector array of the present invention.
【図４】 本発明の熱型赤外線検出器アレイの製造方法
の一例を示す工程断面図である。FIG. 4 is a process sectional view showing an example of the method for manufacturing a thermal infrared detector array of the present invention.
【図５】 本発明の熱型赤外線検出器アレイの製造方法
の一例を示す工程断面図である。FIG. 5 is a process sectional view showing an example of the method for manufacturing a thermal infrared detector array of the present invention.
【図６】 本発明の熱型赤外線検出器アレイの製造方法
の一例を示す工程断面図である。FIG. 6 is a process sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a thermal infrared detector array of the present invention.
【図７】 本発明の熱型赤外線検出器アレイの信号出力
回路中のバッファ回路の一例を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a buffer circuit in a signal output circuit of the thermal infrared detector array of the present invention.
【図８】 従来の熱型赤外線検出器アレイを構成するボ
ロメーター型検出器の一例を示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing an example of a bolometer type detector constituting a conventional thermal type infrared detector array.
１００、４００及び６００ 単結晶シリコン基板、１０
１、４０１及び６０１酸化膜、１０２、４０２及び６０
２ 単結晶シリコン層、１０３ 検出器、１０４ 信号
出力回路、１０５及び４０５ ｐｎ接合ダイオード、１
０５ａ、１０５ｂ、４０５ａ及び４０５ｂ ｐｎ接合ダ
イオードのｐ、ｎ型領域、１０６及び４０６ トランジ
スタ、１０６ａ及び４０６ａ トランジスタのゲート電
極、１０６ｂ及び４０６ｂ トランジスタのソースまた
はドレイン電極、１０７及び４０７ 保護膜、１０８及
び４０８ 空洞、１０９及び４０９ エッチング孔、４
０３及び６０３ 半導体接合素子形成領域、４０４ａ及
び６０４ａ シリコン基板上トランジスタ形成領域、４
０４ｂ及び６０４ｂシリコン層上トランジスタ形成領
域、４１０、６１０及び６１２ フィールド酸化膜、４
１１ 配線、３０１垂直シフトレジスタ、３０２ 水平
シフトレジスタ、３０３ 増幅器、３０４積分器、３０
５ バッファ、３０５ａ及び３０５ｂ ＮＭＯＳトラン
ジスタ100, 400 and 600 single crystal silicon substrate, 10
1, 401 and 601 oxide films, 102, 402 and 60
2 single crystal silicon layer, 103 detector, 104 signal output circuit, 105 and 405 pn junction diode, 1
05a, 105b, 405a and 405b p and n-type regions of a pn junction diode, 106 and 406 transistors, 106a and 406a transistor gate electrodes, 106b and 406b transistor source or drain electrodes, 107 and 407 protective films, 108 and 408 cavities , 109 and 409 etching holes, 4
03 and 603, a semiconductor junction element formation region, 404a and 604a, a transistor formation region on a silicon substrate,
04b and 604b Transistor formation regions on silicon layer, 410, 610 and 612 Field oxide film, 4
11 wiring, 301 vertical shift register, 302 horizontal shift register, 303 amplifier, 304 integrator, 30
5 Buffer, 305a and 305b NMOS transistors
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G065 AB02 BA02 BA12 BA33 BA34 BC12 CA12 DA20 2G066 AC13 BA09 BA11 BA12 BA13 BA51 BA55 BB07 CA08 Continued on the front page F term (reference) 2G065 AB02 BA02 BA12 BA33 BA34 BC12 CA12 DA20 2G066 AC13 BA09 BA11 BA12 BA13 BA51 BA55 BB07 CA08
Claims (7)
線検出器から出力される電気信号を外部に出力する信号
出力回路を備えた熱型赤外線検出器アレイであって、 前記熱型赤外線検出器が、単結晶シリコン基板上に酸化
膜を介して設けられた単結晶シリコン層に1次元または
２次元に配列して形成された半導体接合素子を含んで成
り、 前記信号出力回路が単結晶シリコン基板に直接形成され
たトランジスタを含んで成ることを特徴とする熱型赤外
線検出器アレイ。1. A thermal infrared detector array comprising: a plurality of thermal infrared detectors; and a signal output circuit for outputting an electric signal output from the thermal infrared detector to the outside. An infrared detector including a semiconductor bonding element formed one-dimensionally or two-dimensionally on a single-crystal silicon layer provided on a single-crystal silicon substrate via an oxide film, wherein the signal output circuit is A thermal infrared detector array comprising a transistor formed directly on a crystalline silicon substrate.
コン基板が一部除去されて空洞化しており、前記半導体
接合素子が前記酸化膜に支持されていることを特徴とす
る請求項１記載の熱型赤外線検出器アレイ。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a portion of the single crystal silicon substrate below the semiconductor junction element is partially removed to be hollow, and the semiconductor junction element is supported by the oxide film. Thermal infrared detector array.
ことを特徴とする請求項１または２記載の熱型赤外線検
出器アレイ。3. The thermal infrared detector array according to claim 1, wherein the semiconductor junction element is a diode.
ジスタ、接合電界効果トランジスタ及びＭＯＳトランジ
スタからなる群から選ばれた１つであることを特徴とす
る請求項１または２記載の熱型赤外線検出器アレイ。4. The thermal infrared detector array according to claim 1, wherein the semiconductor junction element is one selected from the group consisting of a bipolar transistor, a junction field effect transistor, and a MOS transistor.
検出器の電気信号を外部に出力する信号出力回路を備え
た熱型赤外線検出器アレイの製造方法であって、 単結晶シリコン基板上に酸化膜を介して単結晶シリコン
層を備えた基板において、前記信号出力回路を構成する
トランジスタを前記単結晶シリコン基板上に直接形成す
る領域であるシリコン基板上トランジスタ形成領域の前
記単結晶シリコン層を除去する工程と、 前記シリコン基板上トランジスタ形成領域の前記酸化膜
を除去する工程と、 前記単結晶シリコン層に前記熱型赤外線検出器を構成す
る半導体接合素子を形成し、前記酸化膜が除去された前
記シリコン基板上トランジスタ形成領域に前記信号出力
回路を構成するトランジスタの一部または全部を形成す
る工程とを含むことを特徴とする熱型赤外線検出器アレ
イの製造方法。5. A method for manufacturing a thermal infrared detector array comprising a plurality of thermal infrared detectors and a signal output circuit for outputting an electric signal of the thermal infrared detector to the outside, comprising: In a substrate provided with a single-crystal silicon layer via an oxide film, the single-crystal silicon in a transistor formation region on a silicon substrate, which is a region where a transistor constituting the signal output circuit is directly formed on the single-crystal silicon substrate Removing a layer; removing the oxide film in the transistor formation region on the silicon substrate; forming a semiconductor junction element constituting the thermal infrared detector on the single crystal silicon layer, wherein the oxide film is Forming part or all of the transistors constituting the signal output circuit in the removed transistor formation region on the silicon substrate. A method for producing a thermal infrared detector array, comprising:
域の単結晶シリコン層を除去する工程において、同時に
前記半導体接合素子を前記単結晶シリコン層に形成する
領域である半導体接合素子形成領域の前記単結晶シリコ
ン層を島状にエッチングすることを特徴とする請求項５
記載の熱型赤外線検出器アレイの製造方法。6. In the step of removing the single crystal silicon layer in the transistor formation region on the silicon substrate, the single crystal silicon in the semiconductor junction element formation region, which is a region where the semiconductor junction device is formed in the single crystal silicon layer at the same time 6. The method according to claim 5, wherein the layer is etched in an island shape.
A method for producing the thermal infrared detector array according to the above.
検出器の電気信号を外部に出力する信号出力回路を備え
た熱型赤外線検出器アレイの製造方法であって、単結晶
シリコン基板上に酸化膜を介して単結晶シリコン層を備
えた基板において、前記信号出力回路を構成するトラン
ジスタを前記単結晶シリコン基板上に直接形成する領域
であるシリコン基板上トランジスタ形成領域の前記単結
晶シリコン層を選択酸化すると同時に、前記熱型赤外線
検出器を構成する半導体接合素子を前記単結晶シリコン
層に形成する領域である半導体接合素子形成領域の前記
単結晶シリコン層を一定間隔を空けて選択酸化する工程
と、 前記シリコン基板上トランジスタ形成領域の選択酸化さ
れた単結晶シリコン層及び前記酸化膜を除去する工程
と、 前記半導体接合素子形成領域に前記熱型赤外線検出器を
構成する半導体接合素子を形成し、前記シリコン基板上
トランジスタ形成領域に前記信号出力回路を構成するト
ランジスタの一部または全部を形成する工程を含むこと
を特徴とする熱型赤外線検出器アレイの製造方法。7. A method for manufacturing a thermal infrared detector array comprising a plurality of thermal infrared detectors and a signal output circuit for outputting an electrical signal of the thermal infrared detector to the outside, comprising: In a substrate provided with a single crystal silicon layer via an oxide film, the single crystal silicon in a transistor formation region on a silicon substrate, which is a region where a transistor constituting the signal output circuit is directly formed on the single crystal silicon substrate At the same time as the layer is selectively oxidized, the single crystal silicon layer in the semiconductor junction element formation region, which is a region where the semiconductor junction element forming the thermal infrared detector is formed in the single crystal silicon layer, is selectively oxidized at a predetermined interval. Removing the selectively oxidized single crystal silicon layer and the oxide film in the transistor formation region on the silicon substrate; Forming a semiconductor junction element constituting the thermal infrared detector in the combined element formation region, and forming a part or all of the transistor constituting the signal output circuit in the transistor formation region on the silicon substrate. A method for manufacturing a thermal infrared detector array, which is characterized by the following.
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